发布时间 : 星期三 文章基于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究毕业设计论文（初稿修改） - 图文更新完毕开始阅读35524b557fd5360cbb1adb1d
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目 录
第1章 绪论 ................................................... 1 第2章 移动机器人路径规划方法的分类及现状 ..................... 5
2.1 基于事例的学习规划方法 ............................................................................................... 5 2.2 基于环境模型的规划方法 ............................................................................................... 6 2.3 基于行为的结构 ............................................................................................................... 7
第3章 自主式小型移动机器人设计任务及方案分析 ................. 10
3.1 微型鼠竞赛介绍 ............................................................................................................. 10 3.2 设计任务分解 ..................................................................................................................11 3.3 机器鼠任务分析及基于行为设计 ................................................................................. 12 3.3.1 巡视通道，沿墙行走行为 ......................................................................................... 13 3.3.2 判断通道，触发旋转行为 ......................................................................................... 19 3.3 机械平台 ..................................................................................................................... 21 3.4.1 机器人移动机构方案选择 ......................................................................................... 21 3.4.2 车轮的安装与选择 ..................................................................................................... 26 3.4.3 车轮的选择 ................................................................................................................. 27 3.5 多传感器的配合使用 ..................................................................................................... 28 3.5.1 传感器在机器人学科应用 ......................................................................................... 28 3.5.2 机器人红外传感器 ..................................................................................................... 30 3.5.3机器鼠传感器设计方案 .............................................................................................. 34
第4章 机器鼠四相步进电机及驱动电路设计 ....................... 38
4.1 步进电机控制概况 ......................................................................................................... 38 4.2 反应式步进电动机的结构及工作原理 ......................................................................... 39 4.3 步进电机功率的确定 ..................................................................................................... 43 4.4 驱动电源 ......................................................................................................................... 45 4.4.1 步进电动机的控制 ..................................................................................................... 47 4.4.2 机器鼠所使用的步进电机驱动电路 ......................................................................... 49 4.5 单片机控制 ..................................................................................................................... 53 4.6 单片机控制程序流程图 ................................................................................................. 64
第5章 基于机器鼠控制系统的一种实用自主吸尘机器人机械部分设计 . 69
5.1差动式车体运动学分析 .................................................................................................. 70 5.2 驱动轮机构组成 ............................................................................................................. 74 5.3 随动轮机构组成 ............................................................................................................. 79
结 论 ......................................................... 81 致 谢 ......................................................... 83 参考文献 ...................................................... 85 附录一： C语言单片机控制程序 .................................. 88 附录二： PCB印刷图 ............................................ 88 附录三： 外文翻译 ............................................. 88 附录四： 实习报告 ............................................. 88
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第1章 绪论
“机器人”一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。这个词是由剧作家 Karel Capek 引入的，他虚构创作的机器人很像 Frankenstein 博士的怪物 － 由化学和生物学方法而不是机械方法创造的生物。但现在流行文化中的机械机器人和这些虚构的生物创作物没有多大区别。
欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。
现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”[43]
机器人能力的评价标准包括：智能，感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。
基本上，一个机器人包括：
? 机械设备，如可以与周围环境进行交互的车轮平台、手臂或其它构造。 ? 设备上或周围的传感器，可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈。 ? 根据设备当前的情况处理传感输入，并按照情况指示系统执行相应动作的系
统。
机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生——成长——成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器
西南交通大学本科毕业设计(论文) 第2页 人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。
在制造业领域，机器人的开发集中在执行制造过程的工程机器人手臂上。在航天工业中，机器人技术集中在高度专业的一种行星漫步者上。不同于一台高度自动化的制造业设备，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作：没有无线电通讯或可能碰到意外的情况。至少，一个行星漫步者必须具备某种传感输入源、某种解释该输入的方法和修改它的行动以响应改变着的世界的方法。此外，对感知和适应一个部分未知的环境的需求需要智能（换句话说就是人工智能）。从军事科技和空间探索到健康产业和商业，使用机器人的优势已经被认识到了这种程度：它们正在成为我们集体经验和日常生活的一部分，能把我们从危险和枯燥中解脱出来[7]：
? 安全：机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用
途，包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。
? 不愉快的事：机器人执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工
作。
? 重复和精度：装配线工作已经成为机器人技术工业的一个中流砥柱。机器人
被广泛地用于制造业，而且，在强调最小维护需求的空间探索中，使用机器人更具有吸引力。
其中移动机器人 （mobile robot）是一种由传感器、遥控操作器和自动控制的移动载体组成的机器人系统。移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业和人所不及的（如宇宙空间、水下等）环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。
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图1-1 四足移动机器人
60年代后期，美国和苏联为完成月球探测计划，研制并应用了移动机器人。美国“探测者”3号,其操作器在地面的遥控下，完成了在月球上挖沟和执行其他任务。苏联的“登月者”20号在无人驾驶的情况下降落在月球表面，操作器在月球表面钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大学研制出具有仿人功能的两足步行机器人。为适应原子能利用和海洋开发的需要，极限作业机器人和水下机器人也发展较快。
移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器。移动机构有轮式（如四轮式、两轮式、全方向式、履带式）、足式（如 6足、4足、2足）、混合式(用轮子和足)、特殊式(如吸附式、轨道式、蛇式)等类型。轮子适于平坦的路面，足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境。移动机器人的控制方式从遥控、监控向自治控制发展，综合应用机器视觉、问题求解、专家系统等人工智能等技术研制自治型移动机器人。
图1-2 火星探索车
移动机器人除用于宇宙探测、海洋开发和原子能等领域外，在工厂自动化、建筑、采矿、排险、军事、服务、农业等方面也有广泛的应用前景。
在移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其核心，而路径规划是导航研究的一个重要环节和课题。所谓路径规划是指移动机器人按照某一性能指标(如距离、时间、能量等)搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次优路径。路径规划主要涉及的问题包括：利用获得的移动机器人环境信息建立较为合理的模型，再用某种算法寻找一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰撞路径；能够处理环境模型中